手機內(nèi)置運動、氣壓傳感器已經(jīng)普及 兼顧精度、體積、系統(tǒng)優(yōu)化
“目前手機導航主要還是依賴GPS和WIFI，而在隧道或高密度環(huán)境下，這些信號強度弱，或是直接丟星，無法進行導航。此時，實際是可以依靠手機里的MEMS傳感單元的。” ADI亞太區(qū)微機電產(chǎn)品市場與應用經(jīng)理趙延輝說，眾所周知，目前智能機里都集成了眾多MEMS傳感器，比如加速度計、陀螺儀、磁力計、氣壓計等。在沒有GPS信號的情況下，可以依靠陀螺儀來判斷方向的變化，可以利用加速度計來判斷速度和位移的變化。但手機里面所用的加速度計和陀螺儀都是消費級產(chǎn)品，無論是瞬時精度、積分精度還是長期穩(wěn)定性都較差，這是受器件的功耗、體積和封裝的限制。
ADI亞太區(qū)微機電產(chǎn)品市場與應用經(jīng)理 趙延輝
他進一步分析，一般體積和功耗越小，器件的精度會越差，這是設計上的權(quán)衡。說到封裝，一般手機里用的都是塑料封裝，這是受成本的限制，塑料封裝對外部環(huán)境敏感，比如溫濕度以及壓力的影響。以判斷方向的陀螺儀為舉例，陀螺儀有長時間的零點漂移，那么在你積分換算角度的時候就會有行駛誤差，如前面提到的，對于手機里用的塑料封裝MEMS陀螺儀，它受外部的環(huán)境影響很大，隨著時間的變化，這個零點漂移會越來越大，所帶來的誤差也就越來越大。再比如過減速帶的時候，會有上下的顛簸，這時又有兩個指標會影響行駛方向的判斷，一個是陀螺儀對加速度的敏感度，也就是在加速度變化時，會對陀螺的輸出帶來多大的影響；還有一個是交叉軸敏感度，也就是汽車在上下顛簸時，實際行駛方向也會受到影響。要提升這些精度，需要更高精度的MEMS傳感器。除此之外，與地圖匹配運行會是非常重要的，如果軟件做的好，運行軌跡與地圖完全匹配的時候，會對MEMS傳感器的要求降低。這是因為在汽車轉(zhuǎn)彎的時候，不太可能每隔幾度就有一個彎道，而且這些彎道都在同一點，大部分情況下，一個轉(zhuǎn)彎點上只有2-4個彎道，這時角度再出現(xiàn)些許偏差，就沒有那么的嚴重。
在傳感器達到一定的精度和尺寸的基礎上，系統(tǒng)優(yōu)化成為關鍵。Bosch Sensortec亞洲市場及業(yè)務發(fā)展總監(jiān)嚴更真接受國際電子商情采訪時表示，目前，以博世最新的傳感器解決方案為例，傳感器本身的精度、各種應用場景下的功耗、尺寸都已經(jīng)達到了非常高的水準，不是影響室內(nèi)導航應用的瓶頸。我們目前創(chuàng)新的重點放在針對具體應用場景下的系統(tǒng)最優(yōu)解決方案。比如針對當前熱點的智能手機、可穿戴、無人機、虛擬現(xiàn)實(VR)、物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、導航等熱門應用領域，博世傳感器均從整個系統(tǒng)架構(gòu)最優(yōu)化的角度推出創(chuàng)新的解決方案。
針對當前利用手機導航的幾個痛點，比如導航的流暢度和利用GPS導航的電池續(xù)航能力問題，博世傳感器也推出了創(chuàng)新性的解決方案。如博世的智能傳感器中樞產(chǎn)品 BHI160, 利用其硬件內(nèi)置的Always-on傳感器算法，可以以微安級的電耗實現(xiàn)如計步器、動作識別、狀態(tài)識別等算法，既分擔了主應用處理器的運算量又降低了整個系統(tǒng)的功耗；另一方面BHI160與GPS結(jié)合，可以在保證連續(xù)導航體驗的情況下大幅減少GPS模塊工作的時間，從而顯著降低整機的功耗。該方案無論在室內(nèi)導航還是室外導航的情況下，都能顯著提升導航的性能與電池續(xù)航能力。
為進一步提高的導航體驗，相對高度的識別也非常重要。大氣壓力傳感器（高度計）的性能及其與GPS的配套解決方案是關鍵。利用博世的最新大氣壓力傳感器BMP280及BMP380, 可以在爬樓梯或乘坐電梯等場景下，非常高精度的識別樓層、高度等。大氣壓力傳感器與GPS的結(jié)合，能夠提升室內(nèi)與室外的立體定位的性能。大氣壓力傳感器可以讓二維平面導航升級為三維立體導航。根據(jù)市場報告，博世氣壓傳感器在全球手機市場的年出貨量超過3億顆，在全球市場占有決定性的市場份額。這為進一步提升手機導航的體驗、三維立體導航服務的提供奠定了非常好的硬件基礎。
與其他定位技術融合
“由于半導體電子技術本身的特點，單獨利用MEMS傳感器進行室內(nèi)定位的挑戰(zhàn)是絕對位置的確定及誤差積累等問題。GPS也有信號干擾、信號不能完全覆蓋等弱點，多技術的融合是必然趨勢。但好的一方面是，當前的智能手機中GPS、WIFI、藍牙的配置也很普及。如何把這些現(xiàn)有的資源整合成一個解決方案是目前業(yè)界努力的方向。”嚴更真分析，我們看到，室內(nèi)定位解決方案目前分兩個層面，即：同一樓層內(nèi)的位置定位與多層建筑內(nèi)的樓層及高度識別。
Bosch Sensortec亞洲市場及業(yè)務發(fā)展總監(jiān)嚴更真
室內(nèi)定位及相關技術可以用于在沒有GPS信號或者GPS信號不夠好的情況下，大型商業(yè)建筑內(nèi)的室內(nèi)導航、大型高層樓宇內(nèi)救援定位、及GPS信號不好的車庫及隧道內(nèi)的慣性導航等，以及基于上述場景的相關服務。
目前嘗試進行室內(nèi)定位的解決方案有多種，由于內(nèi)置９軸運動傳感器及大氣壓力高度計的智能手機已經(jīng)非常普及，基于手機內(nèi)的運動及高度傳感器進行部署的室內(nèi)定位方案從經(jīng)濟性和可行性方面更好。
為了達到良好的用戶體驗，室內(nèi)定位系統(tǒng)對MEMS傳感器本身的性能、多MEMS傳感器的融合算法、MEMS傳感器與GPS及其他解決方案的配合與集成都非常重要。除此之外，室內(nèi)定位還要考慮的一個重要方面是整機系統(tǒng)的功耗問題。
室內(nèi)定位的應用場景很多，比如說消防員的室內(nèi)定位、礦工的井下定位、商家的精準推送、運營商的室內(nèi)信號強度測試、室內(nèi)機器人應用等。趙延輝認為，對傳感器的要求是既要有短時的噪聲精度，還要有較長時間的積分精度，更要有長期的穩(wěn)定性。目前的定位精度取決于是否采用了其他的定位技術，比如Wi-Fi, BEACON, RFID等，如果整合多種定位技術，定位精度可達1米甚至厘米級。單純以MEMS傳感器來看，也要考慮都整合了什么MEMS傳感器，實際使用場景的溫度變化如何，磁場干擾如何，振動如何，佩戴該模塊的人/物體的運動速度如何，是否有運動規(guī)律等，以及實際的軟件算法如何。以ADI的一個帶算法的慣性感測單元ADIS16480為例，它能提供運動物體的角度信息，俯仰角、滾轉(zhuǎn)角的靜態(tài)精度可達0.1度，航向角的靜態(tài)精度可達0.3度。而動態(tài)精度分別是0.3度和0.5度。至于位移，一般沒有運動規(guī)律可循的物體，其誤差會受運行時間和運動距離的影響，好的可以做到5分鐘內(nèi)，<1m的精度。對于有運動規(guī)律可循的物體運動，主要受運動距離的影響，一般可以做到<0.5%的誤差。
趙延輝解析，很多迫切的應用場合沒有辦法預建BEACON和WI-FI等設備，比如說在救火時，消防員進入火場，只能依靠自身所帶設備和在火場外圍迅速搭建的參考通信點，這時依靠室內(nèi)預設的BEACON和WI-FI設備幾乎是不可能的。那么此時，自身所帶設備里的MEMS傳感器就變成了至關重要的一個參數(shù)，當然如果是機器人，那可能還會用到編碼器和激光導航等，而支持這些導航方式的高精度傳感器，目前都是價格不菲，少則上百美金，多則上萬美金，所以價格是限制室內(nèi)導航應用推廣的一個主要因素。另外就是室內(nèi)導航需要融合多種傳感技術、且對算法要求較高，如果沒有積累，很難一蹴而就，技術門檻很高。
MEMS的優(yōu)勢是在需要室內(nèi)導航定位時，不需要預設參考點，隨時可用。且其體積小、重量輕、功耗低、耐沖擊、魯棒性好、啟動時間快、且價格適中。劣勢是各種MEMS傳感器的使用都有一定的局限性，比如加速度在算速度和位移時會有積分誤差，無法區(qū)分重力分量的變化和實際加速度的變化；陀螺儀在算角度變化時也會有積分誤差；磁力計會受磁場干擾，比如建筑里的鋼筋；氣壓計在火場等情況下，會對高度產(chǎn)生誤判等。未來，多種技術融合會是大勢所趨，而且很有可能利用SIP的技術，將多種技術融合到一顆器件里面，這樣來幫助室內(nèi)導航應用實現(xiàn)小型化、便攜化和低成本化。
ADI的MEMS傳感器在室內(nèi)定位方面已有很多成功應用案例，包括消防員的室內(nèi)定位，機器人的室內(nèi)定位，駕考汽車在隧道內(nèi)的輔助定位等等。ADI既可以提供核心的MEMS器件，比如高精度的加速度計ADXL355，ADXL203，ADXL350和高精度的陀螺儀ADXRS642，ADXRS646，ADXRS290等；又可以提供整合了多個MEMS傳感器的慣性測量單元，比如ADIS16448，ADIS16488，ADIS16460等；還可以提供帶算法輸出的ADIS16480模塊。
近幾年，室內(nèi)定位市場需求持續(xù)高速增長，由于受價格和技術的局限，還沒有爆發(fā)。ADI的MEMS傳感器在工業(yè)級機器人應用和對可靠性要求較高的場合比如消防員、輔助駕考系統(tǒng)中的應用還是占主導地位，出貨量在百K級別。
